Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электромеханические переходные процессы в электроэнергетических системах. Учебное пособие
.pdf
4.3. ДИНАМИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ СИНХРОННОГО
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
Из множества факторов, влияющих на динамическую устойчивость
синхронного двигателя, рассмотрим для примера влияние кратковременного наброса механического момента и кратковременное снижение
напряжения в узле подключения.
При кратковременном набросе механической мощности на вал ротора синхронного двигателя (рис. 4.8) правилу площадей соответствует
равенство
F
уск. 1
+ F
уск. 2
= F
торм. 1
+ F
. (4.8)
торм. 2
Рис. 4.8. Предельный динамический переход синхронного двигателя при
набросе механического момента
141
Случай, когда F
возм. уск
= F
торм. 1
+ F
(рис. 4.8, б) является усло-
торм. 2
вием определения предельного угла восстановления
δ исходного
вос. пр
момента. По известному
трудно найти
t (см. рис. 4.8, а), то есть определить предельную
вос. пр
δ методом численного интегрирования не-
вос. пр
длительность наброса механического момента
Р
мех
.
Рис. 4.9. Предельный динамический переход синхронного двигателя при
кратковременном снижении напряжения
При кратковременном снижении напряжения условия сохранения
динамической устойчивости синхронного двигателя принципиально не
отличаются от случая наброса механического момента. Так, при снижении питающего напряжения от значения
U
до значения U2 (рис. 4.9, а)
1
электромагнитная мощность синхронного двигателя скачком изменяется от точки
a до точки b (рис. 4.9, б) и двигатель начинает затормажи-
142
ваться. При восстановлении напряжения электромагнитная мощность
переходит из точки
c в точку c, и далее ротор двигателя движется с
ускоряющим моментом. В предельном случае, показанном на рис. 4.9,
площадь возможного ускорения равна площади торможения, ограни-
ченной точкой
В этом случае на основе равенства
лить предельный угол восстановления
и, соответственно, предельное время восстановления напряжения
(см. рис. 4.9,
f, соответствующей критическому углу
F
возм.уск
δ напряжения (см. рис. 4.9, б)
вос. пр
= F
а).
δ .
кр
можно опреде-
торм
t
вос. пр
4.4. УСЛОВИЯ САМОЗАПУСКА АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
Самозапуском асинхронного двигателя называют процесс восста-
новления нормальной работы после ее кратковременного нарушения,
вызванного исчезновением или кратковременным снижением напряжения питания.
Принципиальные вопросы, связанные с самозапуском асинхронного двигателя, рассмотрим на примере его работы при кратковременном снижении питающего напряжения. Принимая в целях упрощения
Р
= const (рис. 4.10), видим, что к моменту восстановления напряже-
мех
ния скольжение восстановления
точке неустойчивого равновесия (точка
s
вос. 2
может оказаться больше, чем в
b). В этом случае самозапуск
невозможен.
Рис. 4.10. Работа АД при кратковременном снижении питающего
напряжения
143
Условия самозапуска выполняются, если в момент восстановления
напряжения электромагнитный момент будет больше механического.
Этим условиям на рис. 4.10 соответствует скольжение восстановления
s
, которое меньше, чем sb.
вос. 1
Из этих рассуждений следует, что математически выраженным
условием успешного самозапуска асинхронного двигателя может слу-
s
s
жить неравенство
вос. 1
.
b
Следует учитывать, что в момент восстановления напряжения притормозившийся электродвигатель потребляет повышенные активную и
реактивную мощности (
Р
вос. 1
> Р0, Q
> Q0). Это приводит к повы-
вос. 1
шенным потерям напряжения во внешней сети и, следовательно,
к уменьшению напряжения питания двигателя. В итоге скольжение
s
b
уменьшается и, следовательно, условия самозапуска двигателя ухудшаются. При одновременном самозапуске группы двигателей этот фактор
имеет весьма существенное значение.
4.5. ПРОЦЕССЫ ПРИ ПУСКЕ ДВИГАТЕЛЕЙ
4.5.1. Общая характеристика условий пуска
К наиболее характерным переходным процессам, влияющим на
режимы узлов нагрузок электрических систем, относятся процессы,
происходящие при пуске двигателей. Современные мощные двигатели,
особенно асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, имеют
большие пусковые токи, и поэтому их пусковой режим оказывает существенное влияние на режим энергосистемы. Одновременный пуск значительного количества двигателей, соизмеримых по суммарной мощности с мо
щностью остальной системы, может оказать существенное влияние на ее режим. При соизмеримой мощности двигателей и генераторов энергосистемы проверка влияния пуска двигателей на режим системы должна проводиться в обязательном порядке.
Пуск двигателей в ход, или пусковой режим электропривода, вхо-
дящего в состав комплексной нагрузки, – это процесс перехода двигателей и, соответственно, рабочих механизмов из неподвижного состояния
в состояние вращения с номинальной скоростью [5].
Пуск двигателей относится к числу нормальных переходных про-
цессов.
При проектировании электропривода и выборе соответствующего
двигателя устанавливают, сможет ли данный двигатель «развернуть»
ω 0 до
(от
ωω ) присоединенный к нему механизм, для чего:
0
выясняют время пуска двигателя;
устанавливают, насколько допустима данная продолжительность
процесса пуска;
144
проверяют плавность пуска (что особенно важно, например, для
подъемных кранов и печатных машин);
определяют нагрев двигателя при пуске;
оценивают постоянство ускорения при пуске, что желательно для
ряда механизмов, например для пассажирских лифтов.
Эти вопросы решаются при проектировании электропривода и поэтому не рассматриваются при изучении переходных процессов в узле
нагрузки, где внимание сосредоточивается на системных задачах, в число которых входит определение допустимости пусковых токов с позиций обеспечения нормальной работы системы и сети.
Большие токи могу
т вызвать понижение напряжения, создать неблагоприятное влияние на другие виды нагрузки и привести к тому, что данный двигатель будет фактически разгоняться медленнее, чем это предполагалось при неизменном напряжении на его зажимах. В этих условиях
требуется определение времени пуска двигателей и зависимости пуск
ового тока от времени. Вследствие снижения напряжения в сети вращающий момент двигателя может оказаться либо меньше момента сопротивления механической нагрузки, либо несколько больше и разгон двигателя
будет, соответственно, или невозможен, или недопустимо затянут.
Хотя пуск двигателей рассматривается применительно к группе
«системных вопросов», однако для решения возникающих здесь зад
ач
необходимо интересоваться характеристиками двигателей и приводимых ими во вращение механизмов.
Во время пуска двигатель должен развивать вращающий момент,
необходимый, во-первых, для преодоления момента сопротивления
механизма, и, во-вторых, для создания определенной кинетической
энергии вращающихся масс агрегата. Кратность пускового тока по отношению к номинальному значению составляет у асинхронных двигателей: 1,5–2 – пр
и реостатном пуске (для двигателей с фазным рото-
ром) и 5–8 – при пуске двигателя с короткозамкнутым ротором.
Условия пуска обычно разделяют на легкие, нормальные и тяжелые.
При легких условиях требуемый момент в начале вращения двигателя составляет от 10 до 50 % номинального.
К нормальным условиям пуска относят такие, при которых механизм треб
ует пускового момента, равного 50–75 % номинального.
К тяжелым относятся такие условия, при которых требуемый начальный момент составляет от 75 до 100 % номинального и выше. К последним относятся условия пуска таких механизмов, как компрессоры, дробильные барабаны, различные устройства для перемешивания, а также
насосы с открытой задвижкой и приводы со значительным моментом
инерции. В редки
х специальных случаях, например при однофазных дви-
145
гателях, у которых не предусмотрен самозапуск, электрический пуск агрегата в ход заменяется механическим с помощью разгонных устройств.
Для облегчения тяжелых условий пуска в некоторых приводах
применяются специальные механические средства: центробежные,
сцепные ферромагнитные или гидравлические муфты, с помощью которых двигатель принимает нагрузку лишь после того, как он достиг нужной скорости и ст
ал развивать надлежащий вращающий момент.
Для управления пуском и ограничения пускового тока может применяться пускорегулирующая аппаратура и специальные схемы пуска.
4.5.2. Схемы пуска
Протекание переходных процессов при пуске зависит от того, по
какой схеме осуществляется пуск электродвигателя. Существующие
способы пуска двигателей в основном сводятся к следующим трем, которые изложены применительно к синхронным двигателям; пуск асинхронных двигателей отличается лишь тем, что в нем отсутствует последняя стадия – подача возбуждения и втягивание в синхронизм [5].
Автотрансформаторный пуск осуществляется по схеме, показан-
ной на рис. 4.11,
выключатель
а. Сначала включается нулевой выключатель 1, затем
2, присоединяющий автотрансформатор к сети. Так как
двигатель подключен к пониженному через автотрансформатор напряжению, то он разгоняется, потребляя сравнительно небольшой ток. После того, как двигатель достигнет близкую к синхронной скорость,
включается возбуждение и двигатель входит в синхронизм; выключатель
1 отключается и включается шунтирующий выключатель 3, кото-
рый подает на двигатель нормальное напряжение.
Рис. 4.11. Схемы пуска двигателей: а – автотрансформаторный пуск;
б – реакторный пуск; в – прямой пуск
146
У синхронных двигателей при легком пуске возбуждение на двига-
x
тель подается до включения выключателя 3; при тяжелом пуске возбуждение подключается после включения шунтирующего выключателя,
то есть после подачи на двигатель полного напряжения сети.
Пуск через автотрансформатор имеет серьезный недостаток, поскольку наличие пускового автотрансформатора является дополнительной причиной возникновения аварий. Кроме того, такая установка довольно дорога и обладает недостатками в эксплуатации, так как со
здает
толчки при переключениях автотрансформатора. Все это привело к тому, что автотрансформаторный пуск применяется крайне редко.
Реакторный пуск осуществляется по схеме, показанной на
рис. 4.11, б. Пусковой реактор ограничивает величину пускового тока и
снижает напряжение на двигателе при пуске за сч
ет падения напряжения в реакторе. В начале пуска шунитрующий выключатель 2 отключен.
С помощью выключателя 1 двигатель подключается к сети через реактор. По мере разгона двигателя ток снижается. Это приводит к уменьшению падения напряжения в реакторе, и, следовательно, напряжение
на двигателе повышается. При достижении подсинхронной скорости
двигатель получает возбуждение и входит в синхронизм, после че
го вы-
ключателем 2 шунтируется реактор.
Величина сопротивления реактора
где
I – величина, до которой необходимо ограничить пусковой
пуск. мин
ток с помощью реактора;
нальном напряжении
xU
Рном
I
пуск. макс
U
на его выводах.
ном
Реальный пусковой ток
симального тока
I , пропорциональная напряжению ДU на выво-
пуск. макс
11
II
пуск. мин пуск. макс
– пусковой ток двигателя при номи-
I
может быть определен как доля мак-
пуск
определяется по выражению [5]:
Р
, (4.9)
дах двигателя:
I
IU
Для определения
U воспользуемся уравнением связи между этим
Д
пуск Д
напряжением и напряжением сети
пуск. макс
U
U в точке подключения реактора
С
. (4.10)
ном
I
UUIxUU x
СДпускРДД Р
147
пуск. макс
U
ном
. (4.11)
Из (4.11) следует, что
x
s
M
s
M
Таким образом, по формулам (4.10), (4.12) можно определить ре-
альные значения пускового тока
напряжении сети
U .
С
Пусковой момент при реакторном пуске снижается до величины
Схему реакторного пуска применяют при необходимости значительного снижения тока в сети и при достаточности для пуска небольшого
превышения пускового момента над статическим моментом механизма.
Прямой пуск осуществляется согласно схеме на рисунке 4.11, в.
Двигатель включается на полное напряжение сети с помощью выключа-
1. Под действием асинхронного момента двигатель достигает под-
теля
синхронной скорости, после чего подается возбуждение и двигатель
входит в синхронизм.
UU
ДС
MM
пуск пуск. ном
I
1
I и напряжения ДU при известном
пуск
U
пуск. макс
U
Р
Д
U
ном
U
ном
. (4.12)
2
. (4.13)
1
4.5.3. Расчет времени пуска
Рассмотрим общий подход к расчету времени пуска двигателя как к
одному из важнейших показателей пусковых процессов [5].
Процесс движения ротора двигателя описывается дифференциальным уравнением, которое, подобно уравнению (1.19) для генератора,
записывается как
ωjd
TM
, (4.14)
dt
где
С учетом того, что
MM M
ωω
, уравнение (4.14) приводится к виду
0
эм мех
.
ds
Поскольку моменты
ями от
, то и их разность
(рис. 4.12).
TM
M и
мех
. (4.15)
j
dt
являются нелинейными функци-
эм
также есть нелинейная функция от s
148
M
s
M
M
s
s
Рис. 4.12. К расчету времени пуска двигателя
Расчет проводится численно по интервалам. Для этого график функции
разбивается на n равных интервалов по скольжению:
()
fs
... ...
sss
12
in
, (4.16)
и строится ступенчатая функция (см. рис. 4.12), где
const , 1,
ii
Учитывая, что в процессе пуска скольжение двигателя убывает,
в пределах произвольного
i-го интервала уравнение движения (4.15)
можно представить в конечных приращениях:
s
i
– среднее значение небаланса моментов на i-м интервале.
где
i
TMin
ji
t
i
Из (4.17) легко определяется промежуток времени
ответствующий интервалу скольжения
Суммируя все
n промежутков времени, получаем время пуска
tT i n
ij
,1,
s
i
,1,
M
i
, (4.17)
,1,
ti n , со-
i
,1,
in :
i
. (4.18)
двигателя:
n
s
i
M
i
,1,
. (4.19)
tT in
пуск
j
i
1
Точность расчета по (4.19) возрастает с уменьшением величины
in .
t
пуск
и, соответственно, с увеличением количества интервалов.
i
149
4.6. САМООТКЛЮЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК
И ВОССТАНОВЛЕНИЕ НАГРУЗКИ
Самоотключения (излишние отключения) электроустановок при
кратковременных нарушениях электроснабжения (КНЭ) часто обусловлены применением магнитных пускателей обычного исполнения. При
напряжении, сниженном на 20–40 % и более, якорь магнитного пускателя
удерживается в течение всего лишь нескольких периодов промышленной
частоты. Поэтому электроустановки напряжением 380 В, в отношении
которых не приняты меры против их самоотключения, оказываются
обесточенными в рез
ультате КНЭ. Это может приводить к отключениям
других технологически связанных электроустановок. Например, самоотключение маслонасосов в системе принудительной смазки подшипников
закономерно приводит к отключению крупных двигателей 6…10 кВ [8].
U/U
ном
0,8
0,4
а
P/P
Ном,
Q/Q
ном
0,8
0,4
б
Рис. 4.13. Восстановление нагрузки бумагоделательного производства,
частично отключившейся в результате глубокого снижения напряжения
0
P
Q
01020
10 20
t, мин
t, мин
Отключения ответственных электроустановок в ряде случаев обусловлены излишним действием защит минимального напряжения,
не отстроенных от КНЭ при КЗ, АПВ, АВР. Например, встречались
случаи, когда такая защита без выдержки времени отключала агрегаты,
несмотря на то, что их самозапуск был возможен.
150
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]